基于解析法的巖溶隧洞地下水環境影響分析

米 健，沐紅元，李建國，魏啟楊

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

近來年，隨著我國西部大開發的不斷推進，公路、鐵路、引調水工程等線性工程不斷涌現，隧洞也成為線性工程穿越崇山峻嶺的重要建筑物形式。在巖溶地區修建隧洞工程往往會產生涌突水災害，例如，云南省大理州的引洱入賓工程老鷹巖隧洞[1]距出口2012～2119m段施工過程中產生的最大涌突水量達1.3萬m3/d，云南省玉溪市的玉蒙鐵路秀山隧道[2]施工過程中產生的最大涌水量高達35萬～40萬m3/d。巖溶隧洞工程涌突水災害的發生不僅給工程造成重大經濟損失和人員傷亡，拖延工期，也會導致隧洞區巖溶地下水大幅下降，地表水體向隧洞滲漏，重要泉點減流甚至干涸，并引發當地民眾飲用、灌溉用水困難。因此，在巖溶地區開挖隧洞，涌突水問題往往成為制約工程開展的主要水文地質問題[3- 4]，做好隧洞涌水量預測分析具有重要的現實意義[5- 6]，隧洞工程在施工過程中因涌突水而引發的地下水環境影響問題也引起了工程界的高度重視。

地下水環境影響分析工作應重點分析隧洞工程施工涌水量及影響范圍，并評價施工排水對線路附近地下水環境影響程度。目前常用的隧洞涌水量預測方法主要有水文地質比擬法、水均衡法、地下水動力學法及數值計算法[7- 10]。

文章以滇中引水工程小撲隧洞為例，采用解析法對巖溶隧洞涌水量及地下水環境影響范圍進行預測，并對隧洞地下水環境影響問題進行分析論證。

1 水文地質條件概況

滇中引水工程小撲隧洞位于云南省玉溪市境內，隧洞全長32.1km，設計流量為40m3/s，隧洞底板高程為1882.69～1850.59m。隧洞北段巖溶地層廣泛分布，巖溶水文地質條件極其復雜。

1.1 地層展布概況

隧洞北段主要為二疊系—震旦系灰巖、白云巖等可溶巖，局部夾砂巖、泥巖等非可溶巖條帶，為裸露型巖溶區，地層展布詳見圖1。可溶巖在平面上呈條帶狀和塊狀展布，展布長度一般為2～5km，延伸最遠者達50km，面積一般為5～60km2，最大不超過100km2。

1.2 泉點及地下水位特征

隧洞北段分布的主要泉點有18個，以巖溶水為主，少數裂隙水，主要泉點特征見表1。

表1 主要泉點特征

隧洞北段12個鉆孔的地下水位觀測成果詳見表2。

表2 鉆孔地下水位統計

1.3 巖溶發育特征

隧洞北段發育王家灣—仙人洞暗河，暗河走向近南北向，北至仙人洞，南至王家灣、上干洞一帶，全長近20km，地層巖性為P1y灰巖、白云巖。暗河有南、北2個出口，南出口在上干洞(W518)，出口高程為2149m，流量為22L/s；北出口在觀音村仙人洞附近的小龍潭(W506)，出口高程為1910m，枯季流量為1.5L/s，雨季泉水變混、變大。小撲隧洞于觀音山溶槽段(YX3+626—YX3+726)下穿該暗河，根據泉點及鉆孔地下水位高程推測，暗河底板高程為1930m，高隧洞頂板46m，小龍潭泉點高隧洞底板25m。

1.4 巖體透水性

利用鉆孔進行壓水試驗成果對巖體透水性進行分析，試驗成果詳見表3。

表3 地層透水率統計

隧洞沿線的可溶巖地層以中等透水性為主，局部地段為弱透水性。根據工程區巖溶發育特征宏觀分析，地下暗河附近以及表層的可溶巖應以中等-強透水性為主；非可溶巖以弱-中等透水性為主。

2 巖溶水系統劃分

根據隧洞工程區地層展布、泉點及地下水位特征、巖溶發育特征和巖體透水性等綜合分析，對隧洞北段進行巖溶水系統劃分，詳見表4和圖1。

表4 巖溶水系統劃分

圖1 巖溶水系統劃分示意圖

隧洞北段屬于滇池水系統(YH- Ⅰ)，隧洞線路穿過偏頭山-魯納村-金線洞巖溶水系統(YH- Ⅰ- 2- 1- 1)和對門-大梨園-牛戀村巖溶水系統(YH- Ⅰ- 2- 1- 2)。

偏頭山-魯納村-金線洞巖溶水系統(YH- Ⅰ- 2- 1- 1)東、西邊界分別為∈1m頁巖和Zbn冰磧礫巖，南邊界為地表分水嶺，北邊界為滇池。巖溶水系統內地層巖性主要為Zbdn、Zbd灰巖、白云巖夾頁巖。巖溶發育程度較高，多有巖溶洼地，常見溶洞，地層富水性中等-強。巖溶水系統北端通過泉水形式于牛戀村金線洞出露，直接匯入滇池；偏頭山、魯納村至雙深溝村一帶地表水系發育，地下水出露成泉，經柴河最終匯入滇池。

對門-大梨園-牛戀村巖溶水系統(YH- Ⅰ- 2- 1- 2)東、西邊界分別為P2β玄武巖和∈1m頁巖，南邊界為地表分水嶺，北邊界為滇池。巖溶水系統內地層巖性主要為C+D、P1y灰巖、白云巖。巖溶發育程度高，多有巖溶洼地、落水洞，常見溶洞，富水性中等-強。巖溶水系統北端地下水在觀音村、牛戀村出現分層排泄，地下水在觀音村受第四系覆蓋層阻隔，于小龍潭出露部分泉水；剩余部分地下水通過暗河管道形式直接匯入滇池。

3 地下水環境影響分析

3.1 隧洞涌水量及影響范圍預測

(1)預測公式

隧洞最大涌水量采用古德曼公式進行計算預測，正常涌水量采用科斯加科夫公式進行計算預測[11]。

隧洞地下水環境影響半徑計算公式如下[12]：

(1)

式中，R—影響半徑，m；H—潛水含水層厚度，m；K—含水層滲透系數，m/d；W—降水補給強度，m/d；μ—重力給水度；t—排水時間，d，按隧洞施工期5年計算。

(2)滲透系數取值

強巖溶帶、溶蝕破碎帶、暗河管道發育洞段，巖體透水性極不均勻，壓水試驗成果不能完全反映地層的透水性，其滲透系數取壓水試驗大值均值的1.5～2.5倍，即K值取1.0～2.5m/d；巖溶弱發育區滲透系數取壓水試驗大值均值，即K值取0.3～0.8m/d。對非可溶巖洞段、向斜儲水構造帶、斷裂破碎帶，滲透系數K值取壓水試驗大值均值。

(3)預測結果

根據上述預測公式及滲透系數取值原則，對小撲隧洞北段進行涌水量及地下水環境影響范圍預測，預測結果詳見表5和圖2。

表5 小撲隧洞涌水量及影響半徑預測

圖2 小撲隧洞地下水環境影響范圍示意圖

結果表明，隧洞穿越碳酸鹽巖洞段總體涌水量和地下水環境影響范圍較大，最大涌水量一般為101.61～262.76m3/d，最大地下水環境影響半徑達1989m；而穿越碎屑巖洞段總體涌水量和地下水環境影響范圍較小，最大涌水量一般為10.53～21.38m3/d，最大地下水環境影響半徑為361m。

3.2 地下水環境影響分析

在隧洞施工排水的影響下，地下水向隧洞匯流，對隧洞沿線地下水環境的影響如下：

(1)隧洞將襲奪牛戀村金線洞泉W501的地下水補給，造成W501地下水排泄量減少。

(2)隧洞以北觀音山附近的W506、W507、W508三處泉點在隧洞施工排水的影響下，均會出現干涸。

(3)隧洞施工排水對隧洞以南的泉點W512～W518無影響。

(4)隧洞施工排水將襲奪段七村附近現有的多口供水井的補給水源，造成供水井的出水量不足。

(5)隧洞施工排水對分布于隧洞兩側的柴河水庫和舒家山水庫無影響。

根據現場調查，金線洞泉W501是晉城重要的飲水水源，觀音村的三處泉點(W506、W507、W508)是觀音村及其附近村子的重要生活、生產用水，其中W507為觀音村自來水廠的取水源。因此，隧洞北段施工排水將造成當地民眾生活、生產用水困難。

4 防治措施

小撲隧洞北段碳酸鹽巖地層廣泛分布，沿線水文地質條件復雜，區內巖溶發育程度高，隧洞施工排水對地下水環境影響大，應采取對應的防治措施。

(1)針對巖溶地下水疏干影響的防治措施

針對隧洞施工排水引起的巖溶地下水疏干影響問題，可采取以下防治措施：

①對有地下水環境影響的洞段，合理安排施工工序，加強施工地質超前預報，施工上以堵為主、限量排放，提前采取堵水限排措施，回避巖溶疏干。

②施工過程中若遭遇涌突水，可把洞內涌突水通過施工支洞回抽至原地下水排泄區附近，及時對巖溶滲漏部位進行灌漿封堵，并完成襯砌，使地下水水位自然恢復。

③加強對巖溶地下水的長期動態監測，施工過程中周邊地下水排泄量若出現流量減少和水質變化等情況，判別地下水變化情況與隧洞的相互關系，并及時采取行之有效的處理措施。

(2)預防性巖溶疏干補救措施

開展專門補救措施規劃設計，隧洞施工過程中一旦產生了巖溶地下水疏干，可采取以下補救措施：

①回抽洞內涌水進行補救，或者尋求新的替代水源，如建立水窖、打井、地表水體接入、引水工程設置專門的分水口分水補救等。

②隧洞施工將造成W501減流，W506、W507、W508三處泉點疏干，段七村現有的供水井出水量不足，這些重要水源點敏感性高，可能帶來較大社會風險，應考慮采取打井抽水補償措施。根據當地需恢復的水量以及地層產水模數分析，擬在牛戀村南亞寧水泥廠實施1口機井補償金線洞泉W501，井深200m，含水層為P1y灰巖、白云巖；擬在仙人洞北實施1口機井補償W506、W507、W508三處泉點，井深200m，含水層為C2w灰巖；擬在魯納村附近實施2口機井補償段七村附近受影響的供水井，井深200～250m，含水層為Zbdn白云巖。

5 結論

(1)隧洞北段穿越偏頭山-魯納村-金線洞巖溶水系統和對門-大梨園-牛戀村巖溶水系統，并在觀音山溶槽段(YX3+626—YX3+726)下穿王家灣—仙人洞暗河。

(2)隧洞穿越碳酸鹽巖洞段最大涌水量一般為101.61～262.76m3/d，最大地下水環境影響半徑達1989m；而隧洞穿越碎屑巖洞段最大涌水量一般為10.53～21.38m3/d，最大地下水環境影響半徑為361m。

(3)隧洞北段施工排水會造成隧洞以北W501流量減小，W506、W507、W508干涸，會造成段七村附近現有供水井的出水量不足；隧洞施工排水對隧洞以南的W512～W518無影響，對隧洞附近的柴河水庫和舒家山水庫無影響。

(4)隧洞北段施工排水將造成當地民眾生活、生產用水困難，隧洞施工過程中應采取針對性的防治措施，對于敏感性高，可能帶來較大社會風險的重要水源點，應考慮采取打井抽水補償措施，保障當地民眾的正常生活、生產用水。